巖溶隧道瞬變電磁三維超前探測技術研究

邢修舉

(中煤科工集團西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

0 引言

在我國西南部(特別是有巖溶發育的地區)修建鐵路時往往要穿越山區，即會出現長大埋深隧道，此類隧道在開挖過程中面臨巖溶突水的風險[1-2]，嚴重威脅施工人員和設備的安全。富水充泥溶腔的準確預報是目前地質超前預報技術面臨的難點[3-4]，隧道應用較多的地質預報物探方法有地質雷達法和地震反射波法(TSP)，地質雷達法屬于近距離(30 m)預報技術[5]； 而TSP為彈性波波阻抗預報技術[6]，在長距離下預報巖溶水、裂隙水、地層水等存在難度[7]。

瞬變電磁法是一種電磁感應探測方法，是一種對含(富)水構造體較敏感的勘探技術[8]，該技術能夠在隧道掌子面進行多角度、多斷面測量。自20世紀90年代瞬變電磁法引入隧道超前地質預報以來，薛國強等[9]對不同地電斷面情況下的異常體電磁響應進行定性分析，得出采用瞬變電磁法探測不良地質體是可行的結論； 李貅等[10]研究得出瞬變電磁法對低阻含水斷層、充泥富水溶洞、含水含泥破碎帶等不良地質體探測反應靈敏； 譚代明[11]通過改變低阻異常體埋深、半徑、電阻率及高阻圍巖的電阻率，得到了各參數變化對結果的影響程度； 趙雪平[12]利用ANSYS軟件，對巖溶隧道的瞬變電磁法超前地質預報進行了模擬計算，結果表明瞬變電磁法對巖溶體探測敏感，驗證了瞬變電磁法超前預報的可行性。前人對巖溶發育隧道瞬變電磁法作了較系統的研究，但隧道掌子面瞬變電磁超前地質預報研究都是基于隧道內單條或幾條、自隧道左側到右側測線的數據采集，依據感應電動勢剖面和二維視電阻率斷面來進行解釋，無法準確定位掌子面前方不良地質體的空間范圍。隨著隧道面臨越來越復雜的地質情況，對開挖前探測精度和不良地質體的定位提出了更高的要求。因此，本文借鑒煤礦中應用較成熟的小巷道斷面多匝小回線扇形斷面瞬變電磁超前探測技術，開展隧道大斷面三維瞬變電磁超前地質預報技術，通過數值模擬研究掌子面前方不同距離、規模的低阻異常體瞬變電磁響應特征，以期對隧道掌子面前方80 m、洞軸線30 m范圍內巖溶發育構造進行三維空間定位。

1 瞬變電磁超前探測技術

1.1 瞬變電磁法原理

隧道掌子面瞬變電磁法是利用磁偶源裝置形式，在掌子面布設發射線圈激發脈沖電流產生一次電磁場，在發射間隙用接收裝置接收掌子面前方圍巖產生的二次場，由于二次場隨時間的強弱與周圍地下地質體的導電性分布成正相關關系，通過對接收到的數據進行成圖處理、分析和解釋，可以探測到掌子面前方圍巖富水性分布情況[13]。

依據小線框全空間瞬變電磁法“煙圈效應”原理推算出“煙圈”將沿47°傾斜錐面向外傳播[14](見圖1)，在隧道掌子面，對每一個探測點設計探測角度為α，如圖1所示。采用α±β(β為任意一小角，β< 47°)角度變化法，可以避免盲區，減小體積效應，實現對有效區域的高密度全覆蓋探測，準確收集地質信息，確保地質解釋的準確性和精度，這也是設計扇形探測角度間隔的依據。

圖1 隧道瞬變電磁煙圈效應示意圖

Fig. 1 Sketch of smoke ring effect of tunnel transient electromagnetic

1.2 隧道掌子面大斷面超前探測技術

對于隧道掌子面，其超大斷面的瞬變電磁裝置布置是面臨的難點，隧道建設的工期安排緊湊，這就需要設計的探測角度疏密合理，且施工便捷。借鑒煤礦小巷道掌子面的2 m方形多匝線圈裝置，在隧道掌子面多匝線圈的法線方向成自以隧道左側與軸線成60°夾角為起始探測角度，以等間隔5°、10°或者15°向隧道右側旋轉至與中軸線成60°為最后一個探測角度的一個扇形探測斷面(見圖2)。

從圖2可以看出，富水性較強的區域主要集中在隧道中軸線右側，3個不同等間隔的異常在斷面上的位置和范圍幾乎一致，依據隧道后期開挖揭露情況可知，在該范圍拱頂及邊墻有不同程度的滲水、線性出水情況。在掌子面使用12.5 Hz發射、疊加200次再施加等間隔5°采樣一個斷面所用時間為20 min，10°需要10 min，15°需要6 min。在隧道掌子面建議使用15°等間隔，這樣施工效率高，能夠滿足對隧道前方圍巖富水情況探查的要求。

在隧道掌子面設計由點到面、由面到體的3D探測技術。通過前期試驗，制作了專業的角度控制支架，最大限度地減少人為干擾因素對最終采集數據的影響。具體的施工流程是： 1)在隧道掌子面中心線上距離掌子面0.4 m處架設角度控制支架，布置收發裝置； 2)采用扇形斷面、等間隔15°進行數據采集(見圖3(a))； 3)將數據離散到對應的空間坐標系下(見圖3(b))。最后使用Voxler軟件[15]，對離散化的三維數據網格化，輸出異常體等勢面圖以及各個方向的視電阻率等值線切片圖，進行綜合對比分析。

(a) 等間隔5°視電阻率等值線圖

(b) 等間隔10°視電阻率等值線圖

(c) 等間隔15°視電阻率等值線圖

Fig. 2 Sketches of water anomalies distribution unequal spacing ahead of tunnel face

2 巖溶體數值模擬

2.1 模擬參數設置

巖溶發育隧道面臨的富水或充泥溶洞發育在隧道開挖路徑的位置距離掌子面有遠有近，規模有大有小，發育形態也是千變萬化的。將這些地質構造簡化成可以進行數值模擬的構造模型。設計數值模型中以形狀近似的低阻體來替代真實情況下的溶洞，通過總結模型的瞬變電磁響應規律來提高實地探測資料的解釋精度。

利用ANSYS有限元軟件對隧道前方富水(充泥)溶洞進行瞬變電磁三維正演模擬，對整個模型進行離散化處理，將模型劃分成一定數量的單元，建立每個小單元上的待求解的近似解，進而求得整個模型的近似解，采用以有限單元上的場量作為變量的計算方式具有較高的計算精度[16]。建立隧道全空間模型，模型尺寸為500 m× 500 m × 600 m，假定隧道掌子面形狀為矩形，隧道斷面寬 10 m、高 13 m，隧道已開挖距離為200 m，富水巖溶體位于掌子面正前方25 m和50 m處，分別設置為邊長為10 m和20 m的立方體模型。

(a) 扇形斷面探測點示意圖

(b) 離散化后的三維數據點圖

Fig. 3 Sketches of transient electromagnetic detection angles of tunnel face

在勘探電磁領域通常忽略位移電流，在實際計算中需要加入位移電流，這樣才能顯示時間迭代格式。加入位移電流后的麥克斯韋方程組為：

設計各向同性介質為背景地質條件，采用水平旋轉的方式進行瞬變電磁超前探測模擬，每次旋轉15°，從0°到180°。分別計算研究異常體在掌子面前方25 m和50 m時，異常體在掌子面正前方的瞬變電磁響應。收發裝置離掌子面距離為0.4 m，模型示意圖如圖4所示。根據實際隧道中圍巖巖性、巖溶水的電阻率變化范圍，取其近似值作為模型的計算值，相關參數如表1所示。激勵源設置在掌子面中間，在激烈源中不同的時刻設計不同大小的電流密度來模擬實際的供電電流，在電流接通期間設計的電流密度最大，電流斷開期間設計的電流密度為0。

圖4 隧道前方有含水構造的三維模型示意圖

Fig. 4 Three-dimensional tunnel model with water-bearing structure ahead of tunnel

表1 數值模型參數

2.2 數值模擬結果

數值模擬結果如圖5所示。從圖5中不同空間位置異常體瞬變電磁響應結果，可以直觀地得到以下結論：

1)溶洞模型在二維視電阻率等值線斷面圖上25 m和50 m處形成閉合、視電阻值小于60 Ω·m的低阻區，低阻區與設計的模擬體的位置和范圍一致。

2)當收發裝置正對著異常體時，其視電阻率值最低； 當收發裝置偏離異常體時，視電阻率開始變大； 異常體不在收發裝置探測范圍時，視電阻率等值較高。這也說明了小線圈瞬變電磁探測具有一定的方向性。

3)圖5中異常的形態和設置的異常形態有一定的區別，但異常的中心位置一致。說明瞬變電磁探測成果的異常邊界范圍與實際會有一定的誤差，但異常響應的中心位置準確。

4)圖5中異常的閾值與設置的實際視電阻率值有較大區別，說明瞬變電磁探測視電阻率值是綜合的地電反應。異常閾值的選擇應根據探測區域的地質條件情況來選取。

3 工程應用

新建張吉懷鐵路古丈隧道位于湖南省古丈縣紅石林鎮、羅依溪鎮境內，線路總體近南西(169°～210°)。場區屬溶蝕構造中低山地貌，沿線地形標高為400～800 m，地形陡峭，地勢起伏大。隧道穿越寒武系下統頁巖、灰巖，寒武系中統白云巖、泥灰巖、灰巖、白云質灰巖以及寒武系上統灰巖等地層。該隧道起訖里程為DK81+257.32～DK86+138.00，長4 880.68 m。隧道穿越構造侵蝕—溶蝕中低山區和構造溶蝕中低山區。地表及地下巖溶極為發育，地表峰叢洼地、峰叢槽谷十分普遍，地表河流常通過落水洞潛入地下形成斷頭河，地下暗河呈樹枝狀發育，最終匯集排泄于酉水河。

(a) 異常體在25 m位置的視電阻率等值線剖面

(b) 異常體在50 m位置的視電阻率等值線剖面

掌子面采用爆破法全斷面開挖和噴漿支護方式。根據掌子面開挖情況可知，圍巖是寒武系泥質條帶灰巖，青灰色、灰白色，弱風化，薄—中厚層狀結構，圍巖較破碎。依據現場情況，采用中煤科工集團西安研究院生產的礦用YCS2000A型瞬變電磁儀器，設計了4個扇面進行探測，扇面參數如表2所示，發射電流為3 A，發射頻率為12.5 Hz，數據采集疊加次數為200次。對于數據質量較差的點通過進行多次重復測量和增加采集的疊加次數來保證第一手資料的質量。

表2 掌子面探測角度及參數

注： 剖面命名中H代表水平及平行于隧道開挖方向的含義，數值代表夾角(下負上正，左負右正)。

4個扇形探測等值線剖面如圖6所示。低電阻率區域相對賦水的可能性較大，因此在做資料分析解釋時重點對低阻區域分析。在仰角為30°、15°和順開挖方向探測剖面圖中可以看到，在掌子面前方17～30 m和開挖洞軸線左側20 m到洞軸線中心范圍有一個閉合的較明顯的相對低阻異常區(圖中藍色閉合曲線范圍)，與該區巖溶發育形態近似，在俯角15°探測剖面等值線值相對較高，無明顯異常。

(a) 仰角30°探測等值線剖面圖

(b) 仰角15°探測等值線剖面圖

(c) 順開挖方向探測等值線剖面圖

(d) 俯角15°探測等值線剖面圖

采用Voxler軟件繪制3D視電阻率等勢面圖，如圖7所示。在掌子面前方17～30 m存在相對低阻異常區域，該異常區導電性相對較好，橫穿隧道線路，垂向位置在洞身及隧道上部。根據瞬變電磁法的預報成果，及時布置了超前水平鉆，鉆孔布設在隧道掌子面正中心偏上部2 m位置，設計鉆深30 m，在隨后的鉆進過程中，0～18 m鉆進正常，無卡鉆，鉆孔返水成灰黑色，圍巖弱風化，節理裂隙較發育； 18～29 m開始由滲水到股狀出水，鉆進較快，鉆孔返水成土黃色。

圖7 三維視電阻率異常等勢面示意圖

Fig. 7 Sketch of equipotential plane of 3D apparent resistivity anomaly

根據鉆孔情況，在掌子面前方18～29 m鉆進較快，有小股狀出水、伴有風化的黃砂狀黃土泥，據此推斷是溶洞發育區，瞬變電磁探測結果顯示該掌子面前方17～30 m是相對低阻區，物探解釋成果與鉆探結果吻合度很高。隧道物探異常區揭露情況現場照片如圖8所示。

(a)

(b)

瞬變電磁超前預報結果與實際開挖情況吻合較好，說明采用多匝小回線裝置在隧道掌子面布設三維探測角度進行瞬變電磁法地質預報是可行的。此外，由于采用三維空間數據采集，可以從更廣闊的空間獲得電性參數的空間分布，可對隧道掌子面前方大范圍內的巖體的含富水性進行評價，成果的三維空間顯示使異常形態和范圍更加形象、直觀、準確地展示在成果圖中，從而提高了異常位置判斷的精度，為隧道超前探水尤其是在巖溶發育區域地質預報提供了一種快速的技術手段。

4 結論與討論

本文在分析、總結現有隧道超前地質預報技術的基礎上，針對巖溶水設計了多匝小回線3D瞬變電磁探測技術，通過理論數值模擬和現場實踐應用，有效地探測了掌子面前方巖溶發育范圍，說明了該方法的適用性，也為相近地質問題隧道安全施工提供了參考技術方法，并得到以下結論：

1)通過試驗可知，在隧道掌子面設計等間隔15°扇形剖面進行探測，探測時間短，施工效率高，能夠滿足探測精度的需要；

2)通過數值模擬富水溶洞的瞬變電磁響應規律可知，掌子面前方25 m和50 m的溶洞模型能夠準確顯示在二維斷面成果圖中，且形成近似圓形的低阻區域；

3)在巖溶發育區的應用結果表明，采用多匝小回線3D瞬變電磁探測技術有效地對掌子面前方的巖溶構造進行了預報，并給出了其三維立體空間的發育情況，探測結果與實際情況吻合較好。

本文研究也存在以下不足，需進一步研究：

1)對巖溶發育區充水和充泥情況瞬變電磁響應存在的差異需進一步分析；

2)巖溶發育的不規則性、多個小型巖溶連續發育等地質情況，應在下一步數值模擬中予以充分考慮；

3)在數據處理過程中應綜合考慮隧道內的干擾因素(如支護條件、隧道空腔、開挖臺車等)對最終解釋成果的影響；

4)進一步研究三維數據采集數據點密度不等間隔對解釋精度的影響。